（车辆工程专业论文）制动介入式防滑差速系统控制策略研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 制动介入式防滑差速系统( l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a lb yb r a k e ，b l s d ) 是一 种利用制动介入的方式控制驱动轮过度滑转和重新分配输出转矩的差速装置。 它根据车辆运行工况和路面状态，运用现代控制技术对差速器实施防滑控制， 从而控制驱动车轮的过度滑转，将驱动转矩在各驱动车轮间重新分配，使车辆 充分利用驱动车轮与路面间的附着条件，获得较大的纵向力，使车辆的动力性 和操纵稳定性等得到提高。目前，国内外对制动介入式防滑差速系统的研究都 还处于研究开发阶段，尚没有成熟的产品应用到整车上。因此，开展制动介入 式防滑差速系统的控制策略研究对实现制动介入式防滑差速系统产品化和实用 化具有重要的意义。 本文首先对传统差速器到防滑差速器，再到制动介入式防滑差速系统，逐 步深入的进行了介绍，并以普通防滑差速器和a s r 为基础，对制动介入式防滑 差速系统的结构和基本原理进行了深入分析，为制动介入式防滑差速系统的产 品化和应用奠定了较好的基础。其次进行了制动介入式防滑差速系统的相关控 制技术研究，提出了控制目标，并制定了相关控制策略。简单介绍了一些控制 结构中常用的控制算法的理论，主要有逻辑门限值控制、p i d 控制、滑模变结 构控制、最优控制、鲁棒控制和神经网络模糊控制等。在模糊控制理论的基础 上，重点研究了制动介入式防滑差速系统的模糊控制，建立了制动介入式防滑 差速系统的模糊控制器，制定出了模糊控制规则。再次通过对装有制动介入式 防滑差速系统汽车的动力学分析，建立了包括发动机、变速器与主减速器、制 动介入式防滑差速系统和轮胎等传动子模型在内的整车动力学模型和车轮动力 学模型。建立了在分离附着系数路面上对装有制动介入式防滑差速系统汽车动 力性的影响数学模型。最后在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立了装用制动介入式 防滑差速系统的整车仿真模型。对汽车装用制动介入式防滑差速系统后，在分 离附着系数路面上的动力性的影响进行了仿真研究与分析。仿真结果表明装用 制动介入式防滑差速系统后，车辆动力性得到了一定的提高。 关键词：防滑差速器；制动介入；控制策略；模型 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a lb yb r a k e ( b l s d ) i sad i f f e r e n t i a l ，w h i c ha v o i d st h e d r i v i n gw h e e lf r o mo v e r a g es l i p p i n ga n dr e d i s t r i b u t e st h eo u t p u tt o r q u e ，w i t ht h e w a yo fb r a k i n gi n t e r v e n t i o n a c c o r d i n gt ot h er u n n i n gs t a t u sa n dr o a dc o n d i t i o n ，i t b r i n g st h el i m i t e ds l i pi n t oe f f e c to nd i f f e r e n t i a lu s i n gm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ， t og e tt h ea i mo fo v e r a g es l i pc o n t r o l l i n ga n dt h et o r q u er e d i s t r i b u t i n go fd r i v i n g w h e e l s i nt h i sw a y , v e h i c l e sc a nm a k et h eb e s to fa d h e s i o nc o n d i t i o n ，s oa st oo b t a i n ab i g g e rp o r t r a i tf o r c ea n di m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h eh a n d l i n g s t a b i l i t y p r e s e n t l y , t h es t u d i e so nt h i s d i f f e r e n t i a ls y s t e ma r ej u s ti nd e v e l o p i n g s t a t e m e n t ，s t i l ln oa n ym a t u r ep r o d u c t s o ，f o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o na n dp r a c t i c a b i l i t y o fb l s d ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yi t sc o n t r o ls t r a t e g y f r o mt h et r a d i t i o n a ld i f f e r e n t i a l ，t ol s da n db l s d ，t h i st e x th a sad e e p e ra n d d e e p e ri n t r o d u c t i o n b a s e do nt h eu s u a ll s da n da s r ，i ta n a l y s e st h es t r u c t u r ea n d f u n d a m e n t a lo fb l s d ，l a y sag o o df o u n d a t i o no fi t si n d u s t r i a l i z a t i o na n du s a g e t h e n ，i ts t u d i e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fb l s d ，a n db r i n g st h ec o n t r o la i mf o r w a r d ， m a k e sar e l a t i v ec o n t r o ls t r a t e g y i ta l s oi n t r o d u c e ss o m ec o m m o na r i t h m e t i co f c o n t r o l l i n gs t r u c t u r e ，s u c ha sl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，s l i d i n gm o d e c o n t r o l ，o p t i m a lc o n t r o l ，r o b u s tc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kf u z z yc o n t r 0 1 o nt h e b a s eo ff u z z yc o n t r o lt h e o r y ，i th a st h es t u d yo fb l s d sf u z z yc o n t r o li nm i n d ， m a k e saf u z z yc o n t r o l l e ra n dt h ef u z z yc o n t r o lr u l e s a f t e ra n a l y z i n gt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fc a r sw i t hb l s d ，i ts e t so v e r a l la n dw h e e l s m a t h e m a t i c a lm o d e l s ， i n c l u d i n gs u bm o d e l so fe n g i n e ，t r a n s m i s s i o n ，m a i nr e d u c e r ，b l s da n dt i r e s ，s e t s t h em o d e le x p r e s s i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc a r sw i t hb l s do nr o a dw i t h s e p a r a t i o na t t a c h m e n tc o e f f i c i e n t f i n a l l y ，i ts e t st h eo v e r a l ls i m u l a t i o nm o d e lu s i n g m a t l a b s i m u l i n k ，a n da n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fc a r s d y n a m i cp e r f o r m a n c ew i t h b l s dr u n n i n go nr o a dw i t hs e p a r a t i o na t t a c h m e n tc o e f f i c i e n t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w st h ec a r sw i t hb l s dh a v eap r o m i n e n c ed y n a m i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l b r a k ei n t e r f e r i n gc o n t r o ls t r a t e g ym o d e l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含另获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 飒赳tfv 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：日期少髟f 纱 武汉理一r = 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 制动介入式防滑差速系统简介 1 1 。1 差速器 差速器( d i f f e r e n t i a l ) 是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是当汽车转 弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动轮以不同的转速滚动，即保证两侧 驱动轮作纯滚动运动，并将动力分配给左右驱动轮。 汽车行驶过程中，车轮与路面存在着两种相对运动状态：即车轮沿路面的 滚动和滑动。滑动将加速轮胎的磨损，增加转向阻力，增加汽车的动力消耗。 因此，希望在汽车行驶过程中，尽量使车轮沿路面滚动而不是滑动，以减少车 轮与路面之间的滑磨现象。 图1 1 汽车转向时驱动轮运动示意图 当汽车转弯行驶时，内外两侧车轮在同一时间内要移动不同的距离，外侧 车轮的行程总要比内侧的长，如图1 1 所示。若两轮用一根轴刚性连接，即两 轮只能以同一转速转动，则两轮要在同一时间内移动不同距离，必然是边滚动 边滑动。若两侧驱动轮用一根轴刚性连接，即使汽车在平路上直线行驶，也难 以避免车轮与路面滑磨现象。这是因为轮胎制造中的误差、轮胎气压的差别和 磨损的不均匀等都可能引起两个车轮半径不相等。两个半径不等而用一根轴驱 动的车轮，要沿直线运动，即要求在同一时问内左右轮轴心移动相同距离，则 武汉理t 大学硕士学何论文 必然两个车轮要边滚动边滑动。即使两轮半径可以认为是相等的，但沿凹凸不 平的道路行驶，两轮在同一时间内其轴心移动的距离不一样，若用一根轴刚性 连接左右两轮，则仍然要产生滑磨现象。 由上述可知，只要各车轮角速度相等，车轮对路面的滑动就必然存在。车 轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动力消耗及使驱动轴超载等， 而且还会因为不能按要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与 路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力 使汽车行驶稳定性变坏。 因此，为了使驱动轮相对路面的滑磨尽可能地减少，同一驱动桥的左右两 侧驱动轮不能由一根整轴直接驱动，而应由两根半轴分别驱动，使两驱动轮有 可能以不同转速旋转，尽可能地接近于纯滚动，两根半轴则由主传动器通过差 速器驱动。在汽车左右驱动轮间装有差速器，保证了汽车驱动桥两侧车轮在行 程不等时，具有以不同速度旋转的可能性，从而满足了汽车运动学的要求。 在多轴驱动的越野汽车上，各驱动桥间由传动轴彼此相互联系，各桥的驱 动轮均以相同转速转动。同样也会发生上述轮间无差速器时的类似现象。并且 除了上述由于车轮与路面滑磨引起的动力消耗增加、轮胎磨损加速之外，还在 传动系中增加了附加载荷。因此有些越野汽车在前、后桥或各驱动桥之间也装 有差速器轴间差速器，使各桥驱动轮间有以不同转速旋转的可能。 上一 l j 蔷上l 冠- 一： 圆 t 圆 战l i v 芦 i i 图1 2 普通圆锥齿轮差速器的工作原理简图 汽车差速器的结构形式很多，用得最广泛的是对称式圆锥行星齿轮差速器， 2 武汉理：【大学硕士学位论文 其工作原理如图1 2 所示。为主减速器从动齿轮或差速器壳的角速度；、 ：分别为左、右驱动车轮或差速器半轴齿轮的角速度；。为行星齿轮绕其轴 的自转角速度。 当汽车在平坦路面上直线行驶时，差速器各零件之间无相对运动，则有 q 。吡4w o ( 1 1 ) q 。0 ( 卜2 ) 这时，差速器壳经十字轴以力a f 带动行星齿轮绕半轴齿轮中心作“公转 而无自转( ，= 0 ) 。行星齿轮的轮齿以f 2 力推动左、右半轴齿轮的轮齿使它们 一起绕半轴齿轮的中心旋转，而左、右半轴齿轮则给行星齿轮以f 2 的反作用 力。对于对称式差速器来说，两半轴齿轮的节圆半径r 相同，故传给左、右半 轴的转矩均等于p r 2 ，故汽车在平坦路面上直线行驶时驱动左、右车轮的转矩 相等。 当汽车转弯时，假如左右轮之间无差速器，则按运动学要求，行程长的外 侧车轮将产生滑移，而行程短的内侧车轮将产生滑转。由此导致在左、右轮胎 切线方向上各产生一附加阻力，且它们的方向相反，如图1 2 所示。当装有差 速器时，附加阻力所形成的力矩使差速器起差速作用，以免内外侧驱动车轮在 地面上的滑转和滑移，保证它们以不同的转速。和6 0 。正常转动。当然，若差 速器工作时，阻抗其中各零件相对运动的摩擦力大，则扭动它的力矩就大。在 普通的齿轮差速器中这种摩擦力很小，故只要左、右车轮所走路程轮的角速稍 有差异，差速器即开始工作。 当差速器工作时，行星齿轮不仅有绕半轴齿轮中心的“公转 ，而且还有绕 行星齿轮轴以角速度为。的自转。这时外侧车轮及其半轴齿轮的转速将增高， 皱墨 且增高量为z - ( z s 为行星齿轮齿数，z ，为该侧半轴齿轮齿数) ，这样，外侧半 轴齿度为： q 。+ 鸭生 z 1 ( 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 在同一时间内，内侧车轮及其半轴齿轮( 齿数为z ：) 的转速将减低，且减低 筋曼 量为z - ，由于对称式圆锥齿轮差速器的两半轴齿轮齿数相等，于是内侧半轴 齿轮的转速为： 哆：一鸭墨 z 1 ( 卜4 ) 由以上两式得差速器工作时的转速关系为： q + 屿。2 w o ( 1 5 ) 即两半轴齿轮的转速和为差速器壳转速的两倍。 由式皑+ 2 砜知： 当哆20 时，q 2 w o ， 当q 40 时，t 0 2 2 t o o ， 当0 时，q 。一t 0 2 ， 最后一种情况2o ，有时发生在使用中央制动器紧急制动时，这时很容 易导致汽车失去控制，使汽车急转和甩尾。 由于汽车转弯时行星齿轮绕其轴转动，必然有一使其转动的力矩，设为 2 a p r ( 厂。为行星齿轮的节圆半径) 。由图1 2 可见，转弯时在转得较慢的一边 即内侧的半轴齿轮上，a f 与f 2 的方向相同；而在转得较快的一边即外侧的半 轴齿轮上，a f 与f 2 的方向相反，故旋转较慢的半轴齿轮所传的转矩较大，而 旋转较快的半轴齿轮所传的转矩较小。即 五2 隆心) 嵋2 ( 拿出) 厂 m 6 ， 丁， 令只= t o , a f r - 等，则有 五= 一= 。5 ( t o 一弓) ( 一1 7 ) 1 22 f 一、 乙= 墨+ 互= 。5 ( t 0 22 + 弓) ( 一1 8 ) 。 f r 、 4 武汉理：i = 大学硕士学位论文 五+ 互= r o 互一五一弓 ( i - 9 ) ( 1 - 1 0 ) 式中： - 旋转较快的半轴齿轮上的转矩； 1 ：旋转较慢的半轴齿轮上的转矩； 1 0 差速器壳上的转矩； ，差速器元件在相对运动时所产生的摩擦力矩。 由此可见：差速器的内摩擦使驱动桥左右半轴的转矩分配改变，这有利于 改善汽车的通过性。例如当汽车的一个驱动轮由于附着力变坏而开始滑转时， 传给它的转矩就减小，而传到不滑转的车轮的转矩却相应地增大了。结果在汽 车左右驱动车轮上的总牵引力可能达到的最大数值为 r ， c 咖- 2 c 耐。+ l ( 卜1 1 ) 式中： c 眦左、右驱动车轮总牵引力的最大值； 面n 在附着力较小的车轮上的牵引力： 车轮的滚动半径： 弓差速器的内摩擦力矩。 弓 由此可见，由于差速器的内摩擦使汽车总牵引力增大了。但普通圆锥行 星齿轮差速器的内摩擦不大，为了提高汽车的通过性，可采用具有较大内摩擦 的高摩擦式差速器，这时在驱动车轮上的总牵引力可增加1 0 1 5 左右。 1 1 2 防滑差速器 普通差速器很好地解决了汽车左右车轮转速不等造成的汽车轮胎磨损、转 向困难等缺陷。但是，由于普通差速器的“差速不差扭”即平均分配扭矩的特 性，当汽车在泥泞、砂地、冻结等路面上行驶，两侧驱动轮与路面之f u j 的附着 条件相差较大时，驱动轮的一个轮子将不能从滑动中脱出，好路面上的车轮扭 武汉理t 大学硕士学位论文 矩只得减小以与坏路面上的车轮扭矩相等，以至总的牵引力不足以克服汽车的 行驶阻力，汽车出现打滑现象，从而使汽车在较差道路上的动力性、通过性变 差，并易发生甩尾现象。因为普通差速器分配给汽车驱动轮上的转矩是由附着 能力较差车轮决定的，所以汽车两驱动轮只要有一个车轮附着力不足，汽车就 无法行走。 而防滑差速器( l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l ，l s d ) 就是在普通差速器基础上附加 防滑装置来限制差速器的滑差从而改善它的转矩分配特性。它克服了普通差速 器只能平均分配扭矩的缺点，可以使大部分甚至全部扭矩传给另外一个不滑转 的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了 汽车在双附着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车的操纵稳定性， 有效地提高了汽车的行驶安全性。是普通差速器的理想替代产品。 根据差速器的结构型式防滑差速器分为强制锁止式和自锁式两类，常见的 防滑差速器有强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、牙嵌式自由轮式差速 器和托森差速器等。根据差动限制转矩的产生机理可以分为以下三种方式：转 矩感应式、转速感应式和主动控制式。 最初防滑差速器多用在越野车或工程机械上，但随着人们出行和运输的需 要，人们对汽车性能的要求也越来越高，因此防滑差速器的应用也就同益广泛， 装车率也迅速提高。当前，越来越多的越野车、跑车、高级轿车及大货车，开 始提供防滑差速器作为选装件。随着对防滑差速器认识的深入，人们发现防滑 差速器不仅可以改善汽车在坏路面上的通过性，而且防滑差速器对汽车的安全 性、操纵稳定性及平顺性都有很大的改善作用。防滑差速器技术正在成为人们 提高汽车性能的一项新技术。作为汽车驱动防滑控制系统的一种重要实现方式， 防滑差速器凭借其优越的功能价格比和广泛的市场前景而特别受到开发厂商的 重视。 防滑差速器的防滑转矩对车辆的运动性能有很大的影响，它的应用使车辆 的性能得到了很大的改善，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 驱动性能 当车辆左右车轮附着系数u 相差很大，特别是有一车轮附着系数很小时， 防滑差速器产生的防滑转矩越大，汽车的驱动转矩就越大；另一方面，由于防 滑转矩m 增加了汽车的驱动力，驾驶员的转向修_ i f 量也得到了增加。在一般的 冰雪路面上，由于左右车轮的路面附着系数u 和轮胎接地负荷不一定相等，只 6 武汉理_ 丁大学硕士学位论文 要不粗暴地进行加速踏板操作，就会得到较大的驱动转矩。因此，防滑差速器 在越野路面上能够有效地提高汽车的驱动性能。 ( 2 ) 转弯行驶性能 a 定圆转弯性能在汽车进行定圆转弯行驶时，防滑差速器由于两侧驱动车 轮有转速差而输出防滑转矩，因此汽车内侧车轮的驱动力比外侧车轮的驱动力 大，因而产生一个与转弯方向相反的横摆力矩，使得汽车的不足转向倾向增大。 b 加速转弯性能当汽车进行定圆转弯状态加速时，因为当侧向加速度a ， 很大时，转弯的内轮接地负荷减小，所以滑移率变大，内轮的驱动力达到顶点。 此点为装有普通差速器汽车的加速极点，而对装有防滑差速器的汽车来说，即 使转弯时内驱动轮的驱动力达到极限，仍可靠外侧驱动轮产生一定的驱动力来 实现继续加速。 一般的防滑差速器不仅能够提高汽车转弯时加速度极限，而且极限附近的 横摆角速度变化平稳。另外，在靠操纵加速踏板控制车身姿势的行驶中，使用 能够产生与操纵加速踏板成正比的、且无时间滞后的防滑转矩m 啪的转矩感应式 防滑差速器可得到理想的驾驶感觉。 c 摆头性能若在侧向加速度e 1 ，较大的转弯中放开加速踏板，由于减速而产 生的质- l 一 1 日”u 移，使前后轮的侧向力平衡发生变化，即横摆角速度增加，产生所 谓的摆头现象。其摆头的程度因车辆和轮胎的各因素、行驶条件的不同而各有 差异。而防滑差速器在左右车轮上能产生抑制车辆横摆角速度增加的横摆力矩， 故具有抑制摆头的效果。 ( 3 ) 高速行驶稳定性 汽车在高速行驶时，一般驱动力较小，所以容易受到外部干扰。防滑转矩 m 嘞对由外部干扰等施于车辆的力矩有抵消作用，从而使装有防滑差速器的车辆 在转向响应特性方面增大了汽车的不足转向，使横摆角速度增益较低，相位滞 后变小。由于两侧驱动车轮的驱动转矩不平衡抑制了车辆横摆角速度的增加， 横摆角速度、横摆角加速度都显著减小，从而提高了汽车高速行驶时的操纵稳 定性和主动安全性。 1 1 3 制动介入式防滑差速系统 汽车驱动轮滑转是由于驱动力矩超过了轮胎与路面间的附着极限，所以合 7 武汉理t 大学硕士学位论文 理地减小汽车发动机扭矩或动力传动中任一部件的扭矩都可以实现驱动防滑控 制的目的，因此可以通过许多途径来实现驱动防滑控制，如发动机管理，控制 离合器，改变从发动机到驱动轮的传动比，制动介入等。制动介入式驱动防滑 差速系统( l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a lb yb r a k e ，b l s d ) 就是通过进行制动介入对 滑转的驱动车轮施加制动力矩来实现驱动防滑的。从分类上来说，制动介入式 防滑差速系统是一种新型的主动控制式防滑差速器。 对差速器进行防滑控制是实现汽车的驱动防滑控制的重要方式之一。通过 对差速器进行防滑控制，使得左右驱动轮所获得的驱动转矩可以根据控制指令 的不同或者路面状况的不同而不同。当路面两侧附着系数u 差别较大时，低u 一侧驱动轮发生滑转时，由于差速器的防滑作用，使高u 一侧驱动轮的驱动附 着力能得以充分发挥，汽车动力性、行使稳定性都会获得一定程度的提高。本 文所研究的制动介入式防滑差速系统就是一种利用制动介入的方式控制驱动轮 过度滑转并重新分配输出转矩的差速装置。 驱动车轮如果在承受驱动力矩的同时承受制动力矩，就可使作用于驱动车 轮的总力矩有所减小，因此，通过对发生滑转的驱动车轮施加适度的制动力矩 也可以达到控制驱动车轮滑转率的目的。在a b s 装置的基础上，增设少量的硬 件，如防滑转制动介入的制动供能装置、隔离制动主缸与制动轮缸以及隔离制 动供能装置与制动主缸和制动轮缸的电磁阀等；对软件的功能进行扩展，使其 能够利用制动供能装置储存的能量以自适应方式对滑转的驱动车轮施加适度的 制动力矩。并且保证在汽车速度较低时各驱动车轮的制动力矩可以独立调节， 使各驱动车轮的附着力得到充分利用，获得最大的驱动力，提高汽车的起步加 速性能，而在汽车速度较高时则对各驱动车轮的制动力矩一同进行调节，保证 各驱动车轮获得相同的驱动力，并且都具有较高的抗侧滑能力，从而提高汽车 的行驶方向稳定性。由此看出，在驱动过程中，对驱动车轮以自适应方式施加 制动力矩，可以获得防滑差速器的效能，而克服防滑差速器的负作用，即获j ! l i 可控防滑差速器的效果。 1 2 制动介入式防滑差速系统的国内外研究现状 国外对防滑差速器的研究与丌发比较早，早在2 0 世纪6 0 年代，为提高赛 车的动力性和操纵稳定性，己有采用防滑差速器的例子。国外对于防滑差速器 武汉理r 大学硕十学位论文 的研究非常重视，也非常深入。与国外相比，国内的主动控制式的防滑差速器 研究起步较晚，尚无自主产品问世。应用比较广泛的都是一些机械式的，比如 用于大众高尔夫轿车上的摩擦片式自锁差速器、用于中型和重型汽车上的牙嵌 式自由轮差速器、用于奥迪轿车上的托森差速器、用于高尔夫一辛克罗型轿车 上的粘性联轴差速器等等，但是主动控制式的防滑差速器却几乎没有应用。在 这一点上，我国和国外的差距比较明显。 国外己经有各种形式的防滑差速器产品，但国内还非常缺少成熟的防滑差 速器配套产品，引进产品中虽然也有装置了防滑差速器，但相关技术却未能引 进或很难得到引进。随着我国汽车工业发展和技术进步的需要，对于防滑差速 器的开发与应用研究项目开始提出，很多企业也有防滑差速器的开发计划。 目前，国内外对制动介入式防滑差速系统的研究都还处于研究开发阶段， 尚没有成熟的产品应用到整车上，这为我们迎头赶上国外先进的防滑差速技术 提供了良好的机遇。 1 3 开展制动介入式防滑差速系统研究的意义 我国幅员辽阔，地理和道路条件复杂，在各种路面条件下均可获得良好行 驶性能的装有防滑差速器的汽车更适合我国的道路条件。此外，随着我国人民 物质生活水平的提高，以及对汽车安全性认识的提高，对于冰雪路面、坡路面 较多的地区，装防滑差速器的汽车以其良好的通过性和安全性得到了人们的重 视。我国的轻型货车、微型车及高级轿车保有量很大，而且年需求量也相当大。 由于工作环境、运输效率等的因素，这些车型迫切需要加装防滑差速器，以提 高汽车的动力性、通过性及安全性。 从我国汽车工业发展情况来看，由于我国汽车工业起步较晚，技术相对落 后，虽然有着良好的发展势头，但是车型中的关键总成一防滑差速器的生产却 是空白一片。因此，国内汽车产品的更新换代在多方面要受制于国外，这无疑 对我国汽车工业的发展极为不利。为了适应我国汽车工业的发展，迫切需要开 发适用的防滑差速器，开发适用的防滑差速器无疑将产生巨大的经济效益和社 会效益，对促进我国汽车工业的发展、增强国产汽车的产品竞争力是非常重要 的。 制动介入式防滑差速系统是一种新型的防滑差速器，是一项提高汽车性能 9 武汉理：i ：大学硕十学位论文 的重要新技术。要实现制动介入式防滑差速系统在整车上的应用，首先就要确 定出制动介入式防滑差速系统的控制策略。因此，确定出制动介入式防滑差速 系统的控制策略，是实现制动介入式防滑差速系统产品化和实用化的重要环节。 综上所述，开展制动介入式防滑差速系统的控制策略研究具有重要的理论 意义和实用价值。 1 4 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 根据本课题的前期研究，分析制动介入式防滑差速系统的结构和工作 原理。 ( 2 ) 研究制动介入式防滑差速系统的控制技术，提出控制目标，制定控制 策略，简单了解控制系统常用的控制算法，重点探讨模糊控制技术在制动介入 式防滑差速系统中的应用，并完成控制规则的设计。 ( 3 ) 建立装用制动介入式防滑差速系统汽车的动力学数学模型和仿真模 型，在m a t a l a b s i m u l i n k 环境下对其动力性进行仿真分析。 1 0 武汉理：【大学硕士学位论文 第二章制动介入式防滑差速系统的结构和基本原理 2 1 制动介入式防滑差速系统系统的组成 制动介入式防滑差速系统是在普通差速器和制动器的基础上，加装电子控 制单元、液压调节单元、车轮转速传感器等组成的。在制动介入式防滑差速系 统中为了确定驱动车轮是否滑转，可以利用a b s 中的车轮转速传感器获得车轮 的转速信号，制动介入式防滑差速系统电子控制装置既可是独立的，也可与a b s 共用，制动介入式防滑差速系统的制动压力调节装置可以与a b s 的制动压力调 节装置共用。其结构如图2 1 所示。 电子控制器 图2 1 制动介入式防滑差速系统系统组成图 ( 1 ) 差速器 差速器主要功能是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动轮 以不同的转速滚动，即保证两侧驱动轮作纯滚动运动，并将动力分配给左右驱 动轮。汽车差速器的结构形式很多，用得最广泛的是对称式圆锥行星齿轮差速 器。 ( 2 ) 制动器 制动器是汽车制动系中用来产生阻碍车辆运动或运动趋势的部件。汽车制 动器除各种缓速装置外，几乎都是利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦来 武汉理t = 大学硕十学位论文 产生制动力矩。目前，制动器根据旋转元件的不同可以分为鼓式和盘式两大类。 它们之间的区别在于鼓式制动器的旋转元件为制动鼓，以其圆柱面为工作表面； 盘式制动器的旋转元件为圆盘状的制动盘，以其端面为工作表面。 ( 3 ) 电子控制单元 电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) ，又称控制器，其主要作 用是接收由传感器发来的电信号，计算出车轮的运动状态，从而控制液压调节 器发出控制指令。目前的e c u 主要由集成度运算精度都很高的数字电路组成。 电子控制单元的硬件主要包括以下几个部分：c p u 系统、电源电路、输入 接口电路、驱动电路和通讯电路。其中，单片机是电控单元的核心，它的选型 需要考虑控制对象、控制精度、片内资源、温度范围、可靠性和价格等多种因 素。根据制动介入式防滑差速系统的要求，电子控制单元应具有运算速度快、 执行效率高、实时性好、多路i 0 输入输出、多路捕捉、比较输入输出、支 持r s 2 3 2 串口通讯和c a n 总线通讯等优点。 ( 4 ) 液压系统部分 制动介入式防滑差速系统中的液压系统部分是整个系统的执行部分。在制 动介入防滑过程中，它接收来自于e c u 的电压信号，从而驱动液压调节器电磁 阀的开关动作，以实现对轮缸制动压力的调节。 液压控制单元是制动介入式防滑差速系统液压制动系统的核心部件，主要 由电磁阀、蓄能器、油泵、以及一些辅助液压阀等构成。 ( 5 ) 车轮轮速传感器 制动介入式防滑差速系统的车轮转速传感器主要作用是为电控单元提供车 轮转速信号，是制动介入式防滑差速系统整个系统的基础。 目前，汽车上常用的转速传感器有霍尔效应式、光电式和电磁感应式。由 于电磁感应式转速传感器结构简单，价格较低，不需要电源供电，能耗低，可 靠性较高，目前得到了广泛应用。传感器齿圈和电磁感应头之间的相对位置传 感器信号和整形信号的相互关系如图2 2 所示。 轮速传感器由与车轮共同旋转的齿圈和固定的电磁感应式传感器两部分组 成。齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料制成的，传感器主要由永久磁性磁芯和感 应线圈组成。当齿圈同车轮转动时，齿圈的齿顶与齿隙就交替地与传感器磁芯 武汉理工大学硕士学位论文 端部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替的变化，在感应线圈 中就会产生类似正弦波的交变电压，交变电压的频率与齿圈的齿数和转速成正 比。这种交变电压信号经整形电路的变换后，可以生成制动介入式防滑差速系 统控制器能够处理的标准方波信号。制动介入式防滑差速系统控制器根据方波 信号的每个上升和下降沿的发生时间来计算车轮的回转速度。 ， ?! h 图2 2 传感器齿圈和电磁感应头之间的相对位置 2 2 制动介入式防滑差速系统的基本原理 2 2 i 驱动力与附着力的关系 汽车行驶时，驱动力与行驶阻力必须满足f 述力一程式规定的条件： 弓+ e + es 互s 自e 。驴 ( 2 1 ) 式中： ，滚动阻力； ，w 空气阻力； 丘坡度阻力； f 汽车的驱动力( 2 华，乃为发动机的输出转矩，为 变速器的传动比，乇为主减速的传动比，仉为传动系的机械效率，为车轮半 径) ： 武汉理工大学硕士学位论文 ，妒附着力； ，：地面作用在驱动轮上的法向反作用力； 驴轮胎与道路间附着系数。 由此可见，当发动机输出转矩增大时，驱动力随之增大。但驱动力的增大 受到附着力的限制，驱动力的最大值只能等于轮胎与路面之间的附着力。当驱 动力超过附着力时，驱动轮将在路面上滑转。 2 2 。2 滑转率与附着系数的关系 2 2 2 1 滑转率 汽车车轮打滑有两种情形：一种是汽车制动时车轮抱死滑移，另一种是汽 车驱动时车轮滑转。a b s 是防止车轮在制动时抱死而滑移，a s r 是防止驱动车轮 原地不动地滑转，而制动介入式防滑差速系统则是防止其中一侧驱动车轮原地 不动地滑转。驱动轮的滑转程度用滑转率表示，其表达式为： 蜀。! 墨1 0 0 ，w ( 2 2 ) 式中： 6 d 驱动轮滑转率； 车轮速度( 车轮瞬时圆周速度，2 厂缈，m s ) ； 厂车轮半径( m ) ； 车轮转动角速度( r a d s ) ； ，车速( 车轮中心的纵向速度，m s ) 。 当y w = ，时，滑转率3 一= 0 ，车轮自由滚动； 当，= 0 时，滑转率) 一= 1 0 0 ，车轮完全处于滑转状态； 当y w y 时，滑转率0 0 和u ( t ) 使其满足条件，即 m m 7 s0 ( 3 - 8 ) 在控制过程中对系统进行不连续的开关控制，即 u = 怪：三吕 伊9 ， 则系统在控制过程中，随着开关的不断切换，在相平面中系统状态将延切 面腕( f ) = 0 来回运动形成滑模运动，最后成为延切换线的滑动，而到达轨迹点 确 o 吉林大学的郭孔辉院士在二十世纪九十年代中期采用滑模变结构控制对汽 车驱动防滑控制理论进行了初步研究。他采用滑模变结构控制方法，探讨通过 调节发动机节气门丌度来进行汽车驱动防滑控制的理论，进行仿真计算，定量 地说明汽车驱动防滑控制能改善车辆驱动性及操纵稳定性。 经历了5 0 余年的发展，滑模变结构控制己形成了一个相对独立的研究分 支，成为自